CN113002527A - 一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，涉及汽车稳定性控制技术领域，所述控制方法包括以下步骤，S1：采集汽车的固有参数和实时参数；S2：利用采集的所述固有参数和所述实时参数，建立自主电动汽车的横向动态容错控制系统模型；S3：在所述横向动态容错控制系统模型上，分析轮胎非线性与车辆纵向速度变化及自适应触发机制，建立系统的综合控制系统模型；S4：根据所述综合控制系统模型，设计鲁棒容错控制器；S5：根据所述鲁棒容错控制器，对汽车的横摆力矩进行分配。本发明采用T‑S模糊模型方法，通过混合多个线性局部子系统来逼近非线性系统，得到了更有效的汽车非线性动力学系统的控制效果，提高了车辆的侧向稳定性。

Description

一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法

技术领域

本发明涉及汽车稳定性控制技术领域，尤其涉及一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法。

背景技术

近些年来，随着环境问题的日益加剧，自主电动汽车作为一种零排放，无污染的新能源汽车逐渐出现在人们的生活中。自主电动汽车拥有灵活驱动和快速相应的同时，对进一步提高能源效率、车辆操控、舒适性和安全性具有重要意义。汽车横向稳定性在安全性评价方面至关重要，因此，近年来，有关自主电动汽车横向稳定性控制系统的研究收到了人们的广泛关注。

车辆行驶过程中，由于车轮在不同工况下的转向刚度不同，带来了轮胎力的非线性变化。此外，车辆纵向速度变化范围较大。以上二者对车辆侧向稳定性的影响都较大。并且，轮胎非线性动力学和车辆纵向速度的变化，带来了参数的不确定性。基于传统的线性车辆模型的控制器在面对不确定参数时可能会崩溃。因此，有待发明一种考虑到轮胎非线性和车辆纵向速度变化的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法。

发明内容

本发明提供一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，解决了自主电动汽车横向稳定性受轮胎非线性和车辆纵向速度变化影响的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

S1：采集汽车的固有参数和实时参数，固有参数包括汽车总质量、车轮轨道宽度的一半、前轴到汽车中心的距离、后轴到汽车中心的距离、转动惯量、前轮的侧偏刚度和后轮的侧偏刚度，所述实时参数包括前轮转向角、汽车纵向速度、汽车横向速度和横摆角速度；

S2：利用采集的所述固有参数和所述实时参数，建立自主电动汽车的横向动态容错控制系统模型；

S3：在所述横向动态控制系统模型上，分析轮胎非线性与车辆纵向速度变化及自适应触发机制，建立系统的综合控制系统模型；

S4：根据所述综合控制系统模型，设计鲁棒容错控制器；

S5：根据所述鲁棒容错控制器，对汽车的横摆力矩进行分配。

优选地，汽车的横向动态控制系统模型为：

其中，m为汽车总质量，r为横摆角速度，

为横摆角加速度，F_yf为前轮的侧向力，F_yr为后轮的侧向力，v_f为汽车的横向速度，v_x为汽车的纵向速度，

为汽车横向加速度，I为车身的转动惯量，ΔM为外部提供的汽车的横摆力矩。

优选地，步骤S2中所述横向动态控制系统模型的状态方程为：

z(t)＝Cx(t)

其中，x(t)＝[v_f r]，ω(t)＝ΔM，u(t)＝δ，z(t)为控制输出，C为单位矩阵，

优选地，步骤S2中所述横向动态容错控制系统设计时需添加执行机构故障参数，故实际的控制输入可表示为：

u(t)＝Gu_d(t)

其中，u_d(t)表示理想的执行机构力，G为故障系数。

优选地，步骤S2中所述自主电动汽车的横向动态控制系统由传感系统、自适应触发机制、零阶保持器ZOH、车辆控制单元和车内网络组成，所述自适应触发机制的方程为：

t_k+1h＝t_kh+min{lh|[x(t_kh+lh)-x(t_kh)^TΩx(t_kh+lh)-x(t_kh)≥ε(t)x(t_kh)^TΩx(t_kh)]}

其中，h为采样周期，lh为采样瞬间，t_kh为最新释放瞬间，t_k+1h为下一个释放瞬间，由事件生成器根据自适应触发规律确定，Ω为触发条件的正权重矩阵，x(t_kh)表示最新的释放信号，x(t_kh+lh)表示当前采样信号，ε(t)表示自适应事件触发阈值，ε(t)导数如下：

其中0＜ε(t)≤1，ε₀＞0为预设常数，且e_x(t)＝x(t_kh+lh)-x(t_kh)；

控制通道中不可避免会出现网络诱导延迟τ(t)，分析网络诱导延迟可得x(t)＝x(t-τ(t))-e_x(t)。

优选地，步骤S3中所述模型分析参数非线性后的综合控制系统模型为：

其中，x(t)为系统状态向量，α_i(t)和α_j(t)为模糊模型的加权系数，ω(t)为系统干扰输入，τ(t)为系统时滞，e_x(t)为事件触发采样间隔，z(t)为系统输出，G故障系数，K_j为系统控制增益，A_i为将A中的C_f、C_r、v_x替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，B_1i为将B₁中的C_f、C_r、v_x替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，为将B₂中的C_f、C_r、vx替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，C为单位矩阵。

优选地，步骤S4中所述鲁棒容错控制器为：

其中，z(t)为系统输出，ω(t)为系统干扰输入，γ为H_∞性能衰减水平。

优选地，步骤S5中所述各个轮胎分配所需的外部横摆力矩公式为：

其中，F_zfl为前左轮的垂直载荷，F_zfr为前右轮的垂直载荷，F_zrl为后左轮的垂直载荷，F_zrr为后右轮的垂直载荷。

本发明的有益效果在于：

1、采用简化但有效的T-S模糊模型方法，通过混合多个线性局部子系统来逼近非线性系统，得到了更有效的汽车非线性动力学系统的控制效果，提高了车辆的侧向稳定性；

2、采用事件触发机制控制策略，有效的节省了有限的网络带宽资源，减少了通信负担，提高了子系统之间共享有限带宽通信网络的数据传输效率，从而共同控制提高了车辆的性能；

3、考虑执行器故障，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明线性二自由度汽车模型。

图2为本发明四轮车辆动力模型图。

图3为本发明自主电动汽车自适应事件触发原理图。

图4为本发明自主电动汽车鲁棒容错控制方法的流程图。

图5为本发明步骤流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种技术方案：一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：采集汽车的固有参数和实时参数；

S2：利用采集的固有参数和实时参数，建立自主电动汽车的横向动态控制系统模型；

S3：在横向动态控制系统模型上，分析轮胎非线性与车辆纵向速度变化及自适应触发机制，建立系统的综合控制系统模型；

S4：根据综合控制系统模型，设计鲁棒容错控制器；

S5：根据鲁棒容错控制器，对汽车的横摆力矩进行分配。

S1中的固有参数包括：汽车总质量m，车轮轨道宽度的一半l_s，前后轴到汽车中心的距离l_f、l_r，转动惯量I，以及前后轮的侧偏刚度C_f、C_r；

S1中的实时参数包括：前轮转向角δ，汽车纵向速度v_x，汽车横向速度v_y，横摆角速度r；

参数中，前轮转角通过采集驾驶员操控的方向盘转角，然后按转向传动机构比例计算获得；横摆角速度和汽车的横向、纵向速度，通过陀螺仪测算得到。

S2中，根据S1的参数，建立汽车的横向动力学模型如图1所示，假设左右车轮对称，CG表示汽车的重心，m为汽车总质量，r为横摆角速度，

为横摆角加速度，F_yf、F_yr分别表示前后轮的侧向力，v_y、v_x表示汽车的横向速度和纵向速度，

表示汽车横向加速度，I为车身的转动惯量，ΔM为外部提供的汽车的横摆力矩，l_f、l_r是汽车前后轴到汽车重心的距离，l_s是汽车车轮轨道宽度的一半。

根据牛顿力学定律和图2所示车辆动力学模型，得到以下方程：

轮胎侧向力和侧向角的关系如下表示：

F_yf＝-C_fα_f，F_yr＝-C_rα_r

其中，C_f、C_r为前后轮胎的侧偏刚度，α_f、α_r分别为前后轮的侧偏角；

选取汽车的横向速度v_f和横摆角速度r作为状态方程的状态变量，可以得到如下横向动力学模型：

其中，x(t)＝[v_y r]，ω(t)＝ΔM，u(t)＝δ。

为了提高车辆的横向稳定性，设定了车辆纵向速度v_y，和横摆角速度r为控制目标。因此，控制输出定义为：

z(t)＝Cx(t)

其中，C为单位矩阵。

自主电动汽车控制系统的设计需要考虑执行机构故障，故实际的控制输入可表示为：

u(t)＝Gu_d(t)

其中u_d(t)表示理想的执行机构力，G为故障系数，其最大值表示为G_max，最小值表示为G_min，且0≤G_min≤G≤G_max≤1，而故障系数G可以表述为：

其中N为一个未知的对角矩阵，满足NN^T≤I，且

如图3所示，自主电动汽车的横向动态控制系统由传感系统、自适应触发机制、零阶保持器ZOH、车辆控制单元和车内网络组成，其中自适应触发机制作为传感系统与ZOH的接口，可大量节省通信资源，减轻通信负担。定义采样周期为h，采样瞬间为lh，最新释放瞬间为t_kh，下一个释放瞬间t_k+1h，由事件生成器根据自适应触发规律确定，具体如下：

t_k+1h＝t_kh+min{lh|[x(t_kh+lh)-x(t_kh)^TΩx(t_kh+lh)-x(t_kh)≥ε(t)x(t_kh)^TΩx(t_kh)]}

其中Ω为触发条件的正权重矩阵，x(t_kh)和x(t_kh+lh)分别表示最新的释放信号和当前采样信号。ε(t)表示自适应事件触发阈值，其导数如下：

其中0＜ε(t)≤1，ε₀＞0为预设常数，且e_x(t)＝x(t_kh+lh)-x(t_kh)。

控制通道中不可避免会出现网络诱导延迟，这会影响控制性能及车辆稳定性。假设其发生传感系统与ZOH之间，将T_k定义为释放信号x(t_kh)到达ZOH的时间瞬间，则网络诱导可描述为：

τ_k＝T_k-t_kh

则控制单元输出可表示为：

x(t)＝x(t_kh)，t∈[t_kh+τ_k，t_k+1h+τ_k+1)

ZOH的保持区间可分为：

其中μ＝min{j|t_kh+τ_k+jh≥t_k+1h+τ_k+1}，φ_j＝[t_kh+τ_k+{j-1)h，t_kh+τ_k+jh)，j＝1，2，…，μ，φ_μ＝[t_kh+τ_k+(μ-1)h，t_kh+τ_k)。

定义τ(t)＝t-t_kh-lh，t∈φ_j，则τ(t)为分段线性函数满足：

τ₁＝τ_m≤τ(t)≤h+τ_M＝τ₂

其中τ_m＝min{τ_k|k＝1，2，…}，τ_M＝max{τ_k|k＝1，2，…}。

因此可得：

考虑轮胎的非线性和纵向速度变化，利用以下条件：

C_{f min}≤C_f≤C_{f max}

C_{r min}≤C_r≤C_{r max}

v_{r min}≤v_r≤v_{r max}

根据扇形非线性方法，轮胎转向刚度C_f、C_r及变化的横向速度v_x，1/v_x可表示为：

ρ₁＝C_f，ρ₂＝C_r，ρ₃＝v_x，ρ₄＝1/v_x表示前提变量，属度函数按如下计算

且对于i＝1，2，3，4满足：

根据考虑的前提变量和相应的隶属度函数，可以推导出由表1所示的16条模糊规则组成的T-S模糊模型，其中“H”和“L”分别表示“重”和“轻”，用以逼近非线性横向动力学系统。

模型规则i：当ρ₁(t)为“L或H”，ρ₂(t)为“L或H”，ρ₃(t)为“L或H”，和ρ₄(t)为“L或H”，则

其中矩阵A_i，B_1i和B_2i由在车辆动力学模型建立中，分别用C_fmin或C_fmax，C_rmin或C_rmax，v_xmin或v_xmax，1/v_xmax或1/v_xmin代替C_f，C_r，v_x，1/v_x所得。

基于标准模糊推理方法，整体模糊模型如下：

其中

表一：模糊规则

为了设计一种模糊可靠反馈控制器，利用以下控制规则来构造模糊控制器。

控制器规则j：当ρ₁(t)为“L或H”，ρ₂(t)为“L或H”，ρ₃(t)为“L或H”，和ρ₄(t)为“L或H”，则

u_d(t)＝K_jx(t)＝K_j(x(t-τ(t))-e_x(t))

t∈[t_kh+τ_k，t_k+1h+τ_k+1)

与系统的T-S模糊模型相似，整体模糊控制律为：

t∈[t_kh+τ_k，t_k+1h+τ_k+1)

其中

因此，构建理想车辆的横向动力学控制模型为：

基于上述过程建立的自主电动汽车横向稳定性控制模型和图4所示自主电动汽车鲁棒容错控制方法，设计一种鲁棒容错控制器，使得上述的闭环系统渐进稳定，并满足具有γ衰减水平的H_∞性能，即：

状态反馈增益矩阵K的取值可由如下方法确定：针对上述的闭环系统，若存在正标量0≤τ₁≤τ₂，ε₀＞0，γ＞0，和正定矩阵

Ω，j＝1，2，…，8，使得以下的LMI成立，则存在鲁棒容错控制器可使得系统渐进稳定且满足H_∞性能。

其中：

Γ₂₂＝-diag{R₁ ^-1 R₂ ^-1 I}

通过求解以上矩阵不等式，可以求得K_j，然后通过计算可得到汽车的横摆力矩ΔM。

轮胎纵向力与横摆力矩的关系为F_xij＝T_ij/R′，其中R′为轮胎半径。

通过力矩分配系统计算分配到每个车轮的力矩：

其中，F_zij为各轮垂直载荷，T_ij为各轮的外作用力矩，下标fl，fr，rl，rr分别表示前左轮，前右轮，后左轮，后右轮。忽略侧向加速度引起的垂直力传递，得到各轮在垂直方向的载荷为：

因此，根据上式可得各个轮胎分配所需的外部横摆力矩。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1：采集汽车的固有参数和实时参数，固有参数包括汽车总质量、车轮轨道宽度的一半、前轴到汽车中心的距离、后轴到汽车中心的距离、转动惯量、前轮的侧偏刚度和后轮的侧偏刚度，所述实时参数包括前轮转向角、汽车纵向速度、汽车横向速度和横摆角速度；

S2：利用采集的所述固有参数和所述实时参数，建立自主电动汽车的横向动态容错控制系统模型；

S3：在所述横向动态控制系统模型上，分析轮胎非线性与车辆纵向速度变化及自适应触发机制，建立系统的综合控制系统模型；

S4：根据所述综合控制系统模型，设计鲁棒容错控制器；

S5：根据所述鲁棒容错控制器，对汽车的横摆力矩进行分配。

2.根据权利要求1所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：汽车的横向动态控制系统模型为：

其中，m为汽车总质量，r为横摆角速度，

为横摆角加速度，F_yf为前轮的侧向力，F_yr为后轮的侧向力，v_y为汽车的横向速度，v_x为汽车的纵向速度，

为汽车横向加速度，I为车身的转动惯量，ΔM为外部提供的汽车的横摆力矩。

3.根据权利要求2所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S2中所述横向动态控制系统模型的状态方程为：

z(t)＝Cx(t)

其中，x(t)＝[v_y r]，ω(t)＝ΔM，u(t)＝δ，z(t)为控制输出，C为单位矩阵，

4.根据权利要求3所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S2中所述横向动态容错控制系统设计时需添加执行机构故障参数，故实际的控制输入可表示为：

u(t)＝Gu_d(t)

其中u_d(t)表示理想的执行机构力，G为故障系数。

5.根据权利要求1所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S2中所述自主电动汽车的横向动态控制系统由传感系统、自适应触发机制、零阶保持器ZOH、车辆控制单元和车内网络组成，所述自适应触发机制的方程为：

t_k+1h＝t_kh+min{lh|[x(t_kh+lh)-x(t_kh)^TΩx(t_kh+lh)-x(t_kh)≥ε(t)x(t_kh)^TΩx(t_kh)]}

其中，h为采样周期，lh为采样瞬间，t_kh为最新释放瞬间，t_k+1h为下一个释放瞬间，由事件生成器根据自适应触发规律确定，Ω为触发条件的正权重矩阵，x(t_kh)表示最新的释放信号，x(t_kh+lh)表示当前采样信号，ε(t)表示自适应事件触发阈值，ε(t)导数如下：

其中0＜ε(t)≤1，ε₀＞0为预设常数，且e_x(t)＝x(t_kh+lh)-x(t_kh)；

控制通道中不可避免会出现网络诱导延迟τ(t)，分析网络诱导延迟可得x(t)＝x(t-τ(t))-e_x(t)。

6.根据权利要求1所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S3中所述模型分析参数非线性后的综合控制系统模型为：

其中，x(t)为系统状态向量，α_i(t)和α_j(t)为模糊模型的加权系数，ω(t)为系统干扰输入，τ(t)为系统时滞，e_x(t)为事件触发采样间隔，z(t)为系统输出，G故障系数，K_j为系统控制增益，A_i为将A中的C_f、C_r、v_x替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，B_1i为将B₁中的C_f、C_r、v_x替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，为将B₂中的C_f、C_r、v_x替换为最值所得到的状态方程系数矩阵，C为单位矩阵。

7.根据权利要求6所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S4中所述鲁棒容错控制器为：

其中，z(t)为系统输出，ω(t)为系统干扰输入，γ为H_∞性能衰减水平。

8.根据权利要求7所述的自主电动汽车横向稳定性鲁棒容错控制方法，其特征在于：步骤S5中所述各个轮胎分配所需的外部横摆力矩公式为

其中，F_zfl为前左轮的垂直载荷，F_zfr为前右轮的垂直载荷，F_zrl为后左轮的垂直载荷，F_zrr为后右轮的垂直载荷。

Images